大口径反射面天线的性能提升和未来研究趋势

工程7（2021）1047意见和评论提高大型反射面天线使用性能的未来研究趋势连培源a，王聪思a，宋雪a，王艳b，严岳飞a，徐谦c，段宝艳a，王娜c，段玉虎d，杨武ea西安电子科技大学机电工程学院，bXi建筑科技大学信息与控制工程学院c中国科学院新疆天文台，中国乌鲁木齐830011d中国电子科技集团公司39研究所，Xie中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081大型反射面天线是深空测控网的关键部件之一，对卫星通信、航天、深空探测等人类航天活动具有重要意义。这种天线类型的主要特点是其大口径，通常需要严格的表面精度，以确保高增益和高指向性能[2，3]。反射面天线有两种：非完全可动天线和完全可操纵天线。我国500米口径球面射电望远镜是一种具有代表性的超大口径、低工作频率的非全动天线。全世界范围内的全可控反射面天线，按其口径和最高工作频率可进一步分为四类，如图1所示。图1中的大多数天线可以在参考文献中找到[4]这里没有详细介绍。第一类包括具有大孔径和低工作频率的传统反射器。第2类包括在其反射器上具有致动器以调整表面的大型天线，并且通常，操作频率比具有不可调整反射器的第1类天线的操作频率高得多。例如，美国的100米绿岸望远镜（GBT）有2004个面板，由2209个致动器支撑。第3类包括亚毫米波天线，具有更高的表面精度，但孔径较小。例如，阿塔卡马大型毫米波阵列（ALMA）的12米射电望远镜的表面精度为0.01毫米。具有大口径和高表面精度的亚毫米波天线（类别4）仍处于概念阶段[5]，因为具有大口径的亚毫米波天线的服务性能对其工作环境更为敏感高天线服务性能的一个重要原因是实现这一目标的挑战是苛刻的环境要求;特别是，一些合适的地点位于戈壁沙漠等地区[3]。因此，除了重力之外，其他外部负载是不可避免的，例如风、温度、惯性和振动冲击，这些会显著降低天线的服务性能。在工程中，如果温度梯度很大，风很强，只能进行低频观测，这严重妨碍了高频观测的任务因此，未来的研究重点应放在提高天线服务性能，以确保大型天线可以达到更远的距离，更高的分辨率和更高的鲁棒性。此外，还要有效保障高频观测任务此外，还确定了九个相应的关键研究方向，并在图2中进行了总结。详情列示如下。(1) 机电耦合。环境因素可以通过影响天线的机械部件来影响天线的性能，同时天线的电磁性能与天线结构之间存在着相互影响、相互制约的关系因此，高性能天线的实现依赖于多学科的结合目前，结构位移场与电磁场之间的机电耦合关系已被提出[6]。未来应进一步探索外部环境、电磁性能和天线结构之间的耦合关系，为多学科多领域综合设计和服务性能提升提供理论(2)状态监测。高精度、大尺寸的传动部件是大口径反射面天线运动准确传递的关键然而，由于低速重载条件和恶劣的环境，表面磨损成为不可避免的，这降低了传动精度，引起指向误差。同时，结构的使用性能还取决于结构抵抗环境干扰的鲁棒性因此，我们应该进一步追求以下两个研究方向：研究了动力载荷作用下传动系统的磨损演化机理和轮轨接触建立实时监测系统，对环境和结构状况进行监测，为进一步改善服务性能提供数据https://doi.org/10.1016/j.eng.2021.05.0052095-8099/©2021 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/eng●●P. Lian，C. Wang，S. Xue等人工程7（2021）10471048图1.一、具有各种孔径和工作频率的完全可操纵的反射器天线IGN：国家地理研究所; MY：密云; JMS：佳木斯; KM：昆明; LMT：大型毫米望远镜; QTT：奇台望远镜; GBT：绿岸望远镜; SRT：撒丁岛射电望远镜; TM：天马; ALMA：阿塔卡马大型毫米阵列; HHT：海因里希赫兹望远镜; JCMT：詹姆斯克拉克麦克斯韦望远镜; MRT：毫米射电望远镜;SEST：瑞典欧洲南方天文台亚毫米望远镜; CCAT：康奈尔加州理工阿塔卡马望远镜; AtLAST：阿塔卡马大口径亚毫米望远镜; PMO：紫金山天文台; VLMT：甚大毫米望远镜;LST：大型亚毫米望远镜。图二、总结了重点研究方向。（i）机电耦合;（ii）状态监测;（iii）热变形补偿;（iv）风扰动控制;(v)多系统协同调节;（vi）误差影响分析;（vii）人工智能的应用;（viii）新的测量方案;（ix）创新的结构设计。UAV：无人驾驶飞行器; AI：人工智能。P. Lian，C. Wang，S. Xue等人工程7（2021）10471049(3) 热变形补偿。温度梯度是影响天线服务性能的重要因素，并且由于温度场的固有时变性质，对温度相关变化的补偿仍然是一项具有挑战性的任务。目前，已经采用了温度控制设备和复合材料来减少热变形[7]，但高昂的成本已经变得不可接受。因此，我们建议以下两个研究方向：研究低成本、轻量化的热控系统，探索考虑不同材料、不同热膨胀系数的相应设计方法，仅结构关键部分采用复合材料，以降低成本[5，8];研究了用少量传感器实时重建温度场的方法也许我们可以预先建立一个特定操作条件下的模拟温度数据库，然后用实测温度数据对相应的模拟温度进行修正，就可以近似地得到真实的温度场[9]。(4) 风扰动控制风干扰是引起天线指向误差较大的另一个重要环境因素，由于阵风的瞬态特性，在工程上也很难对这种误差进行补偿。今后的研究建议在以下两个方向：探索大型天线场地风场调控方法[10]。一种可能的方法是根据天线场地的地形建立风的模拟模型，然后优化防风带或风力发电设备，以减少天线附近的风能或改变风向。研究天线伺服系统在风干扰下达到指向稳定目标的控制策略通过在远离天线的关键位置测量风场数据，建立风场预测模型，可以提前预测天线附近的风场，为调整计算和伺服系统响应提供充足的时间。(5) 多系统协同调整。大型天线的调整子系统一般包括有源主面、副面Stewart平台、伺服系统和相控阵馈电（PAF）激励（仅适用于PAF反射面天线）。PAF技术可以大大扩大射电望远镜的视场，提高巡天效率，通过调整阵元激励的幅度和相位，可以大大减小形变对电磁性能的影响[12]。实际上，各子系统今后应建立各子系统间的耦合模型，形成多系统协同调节系统，分析各子系统(6) 误差效应分析。许多文献都通过区间法或概率法研究了结构误差对电气性能的影响[6，7，13]。然而，目前很少有文献对状态监测中的测量误差、环境重建中的重建误差、有限元模型的模型误差以及不同子系统的调整误差等在服务性能改善过程中的影响进行分析因此，迫切需要进行各种误差对补偿效果的影响分析(7) 人工智能的应用。状态监测和性能改进系统积累了大量的风数据、温度数据、振动数据、结构应变数据、多系统平差数据等多种类型的数据量。未来应充分利用大量历史数据，通过人工智能方法的应用，其可能的应用包括温度或风的智能预报、副反射面位置和姿态的(8) 新的测量方案。现有的标准测量方法，如激光测量、摄影测量、全息测量等，由于测量过程复杂、耗时，难以实现在观察过程中无法进行测量因此，有必要探索新的实时测量方案，以满足提高业务性能的实时性要求。到目前为止，已经出现了一些新的计划[14，15]。例如，测量仪器可以放置在副反射器或无人机上，或者边缘传感器可以安装在面板上以测量两个相邻面板之间的倾斜角。(9) 创新的结构设计。突破现有天线的传统设计框架，使其对环境干扰不敏感，是一项具有挑战性的任务对于未来高工作频率的大型天线，进行创新的结构设计至关重要。参考文献[5]报道了一些新的结构设计，以减少风的影响，通过一个圆顶型圆顶和减少重量的随着大型反射面天线向更大口径、更高频率、更高增益、更高指向精度的方向发展，复杂的环境因素对这些因素的影响使得其性能的改善空间越来越小。这一领域的研究已成为保证天线优良和稳健服务性能的重要研究方向，对相关研究人员来说充满了机遇和本文总结了服务绩效改进的九个关键研究方向我们希望读者的启发与未来的研究在这方面提出的建议与新的想法随着嫦娥工程、天问工程及相关射电天文工程的深入开展，深空通信距离远、导航精度高的问题迫切需要开展上述研究，为提高天线的使用性能，建设更大口径、更高精度的天线提供技术支撑，从而有效提高深空测控网的性能，实现更强的深空通信能力。确认我们感谢所有相关研究人员在大型反射器天线方面所做的工作。本课题得到了国家自然科学基金（51805399、51975447、52005377）、陕 西 省 高 校 青 年 创 新 团 队 （ 201926 ） 、 中 央 高 校 基 础 研 究 基 金（JB210404、JB210403）的资助。引用[1] 吴伟，李宏，李智，王刚，唐勇。中国深空测控网的现状与展望&。Sci SinInform 2020;50（1）：87-108. 中文.●●●●P. Lian，C. Wang，S. Xue等人工程7（2021）10471050[2] Rahmat-Samii Y，Densmore A.反射器天线发展的历史：过去、现在和未来。在：2009年SBMO/IEEE MTT-S国际微波和光电会议论文集; 2009年11月3-6日;贝伦，巴西; 2009年。[3] 王N。新疆奇台110米射电望远镜。Sci Sin Phys Mech Astron2014;44（8）：783-94. 中文.[4] Baars JWM，Kärcher HJ.射电望远镜反射镜设计和制造的历史发展。Cham：Springer;2018.[5] Kärcher HJ，BaarsJWM. 未来大型单碟射电望远镜的设想。In：Proceedings ofSPIE AstronomicalTelescopes +Instrumentation; 2014 Jun 24 -27; Montreal ，QC，Canada; 2014.[6] 段碧仪，王CS.利用MEFCM分析反射面天线的失真。IEEETrans Escheras Propag2009;57（10）：3409-13.[7] 格雷 夫A ，布 雷默M 。射 电望远 镜及其外 壳的热设 计和热性 能。Heidelberg ：Springer-Verlag;2010.[8] WoodyD，Padin S，Chauvin E，Clavel B，Cortes G，Kissil A，et al. CCAT25米直径亚毫米波望远镜的CFRP桁架。In：Proceedings of SPIE AstronomicalTelescopes+ Instrumentation; 2010 Jun 27; San Diego，CA，USA; 2010.[9] 连平，王春，徐强，向波，石勇，贾勇，等。一种提高大型电磁铁太阳辐射下的轴对称射电望远镜IET Microw ReynasPropag 2020;14（13）：1635-42.[10] WangCS，Wang XQ，Xu Q，Wang N，Zheng YP，Du B，et al. 基于等效风场试验的QTT场地风场分布调控技术初探。Sci Sin Phys Mech Astron 2019;49（9）：126-32. 中文.[11] Zhang J，Huang J，Zhou J，Wang C，Zhu Y.基于风载下指向误差估计的大型天线补偿器。IEEE Trans EscherasPropag 2017;25（5）：1912-20.[12] 王成，李军，朱明，王伟，李宏，康明凯，等。大型反射面天线表面变形补偿方法综述。 电子机械工程2013;29（2）：5-10. 中文.[13] Rocca P，Anselmi N，Massa A.抛物面反射器方向图公差分析的区间算法。IEEETrans Escheras Propag 2014;62（10）：4952-60.[14] 连平，王春，薛松，徐勤，石宇，贾宇，等。可调双反射面大射电望远镜的面形调整策略。IETMicrowMesynas Propag 2019;13（15）：2669-77.[15] 王成，雷涛，严勇，徐勤，王宁，郑勇，等。采用角度传感器的大口径射电望远镜面板实时位置计算方法。Sci Sin Phys Mech Astron 2019;49（9）：099506.中文.